[发明专利]基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型

说明书

本发明公开了基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，包括以下步骤：S1、建立气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力物理模型；S2、根据质量、动量守恒定律，建立井筒环空瞬态多相流数学模型；S3、建立环空瞬态水击数学模型；S4、利用扩散差分法对环空瞬态水击数学模型求解；S5、根据步骤S4中数学模型的解确定的水击波前沿位置，利用自适应网格法对该位置进行网格加密，提高局部区域的计算精度。本发明利用建立的模型及方法分析关井过程中气侵、关井时间、井深以及气侵时间对水击压力影响，以便根据井深、气侵时间等参数选择合适的关井方式。

技术领域

本发明涉及油气开发技术领域，具体涉及基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型。

背景技术

近年来，全球油气资源勘探开发的重心已从浅层向深层、超深层转移。深井超深井钻井过程中井下复杂事故频发，尤其在深部地层钻进过程中容易发生气侵，常需进行关井操作。从发现气侵到井口防喷器关闭过程中，阀门的开度逐渐减小，导致井口流量和流速在短时间内改变较快，会在井口产生危害很大的水击现象，对井口设备以及井口安全构成了新的危害；同时，对于孔隙压力和破裂压力接近的地层，钻井液密度窗口较窄，地层对压力特别敏感，如果选择的关井方式不合理，井口产生的水击压力波向井底传递，易压裂地层，严重时可能造成井漏事故。

在石油生产作业中，对于水击的研究主要集中在注水井出砂问题上。注水井因阀门关闭、停泵和关井作业造成的水击效应对疏松砂岩出砂有着显著影响，水击波使得已被出砂削弱的地层再次遭受侵蚀，使井中大量出砂造成注水能力下降，并且压力波使得岩石有效应力和剪切应力的波动可能会达到百帕，严重时甚至造成井壁失稳，从而影响了注水井的使用寿命。通过采用优化注入压力、调整操作方式以及改变阀门安装位置等措施来减小水击波强度，从而显著减轻或消除水击的影响。

然而，对于气侵关井水击压力的研究工作甚少。Jardine等人首次研究了不同关井方式的优劣，给出了“硬关井”和“软关井”瞬时压力增量的表达式；在此基础上，李相方等人考虑含气率对水击波速影响，计算了气液两相流时“硬关井”情况下的水击压力；何世明等人采用ADINA软件对水击压力的变化进行了有限元仿真模拟；韩国庆等人利用商业软件模拟了开关井时水击对井下和地面系统的影响；王宁等人考虑了气侵初期，地层流体侵入引发的水击效应。

不难发现，对于气侵关井水击问题，基本方程组都采用特征线性法(MOC)进行数值求解，为满足数值解的稳定性，时间步长只能取得很小，并且气液两相介质沿井筒分布不均匀、流动参数不断变化，传统的特征线性法难以解决复杂的井筒多相流压力波传播问题，在计算过程中需根据流动参数的变化不断调整网格的位置或网格的疏密，才能更准确地捕捉到水击波的前沿位置。

发明内容

针对上述问题，本发明提供基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，本发明建立了气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力模型，采用扩散差分和自适应网格方法进行求解，研究了截面含气率、关井时间、井深和气侵时间对水击压力的影响。

本发明采用下述的技术方案：

基于井筒环空瞬态多相流流动特征的环空瞬态水击模型，包括以下步骤：

S1、建立气侵关井引发的井筒环空瞬态水击压力物理模型；

S2、根据质量、动量守恒定律，建立井筒环空瞬态多相流数学模型；

气相质量守恒方程为(产气层)：

气相质量守恒方程为(非产气层)：

液相质量守恒方程为：

混合动量守恒方程为：